《MicrobiologyOpen》：Microbiome-Derived Tryptophan Metabolites Regulate AhR Signaling to Restore Epithelial Barrier Integrity in Inflammatory Bowel Disease
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炎症性肠病（IBD）以慢性肠道炎症和上皮屏障完整性受损为特征。越来越多的证据表明，肠道微生物来源的色氨酸代谢物可作为芳香烃受体（AhR）的内源性配体，启动恢复黏膜稳态的保护性信号级联反应。本综述综合了关于微生物色氨酸分解代谢物（包括吲哚-3-甲醛（IAld）、
炎症性肠病（IBD）以慢性肠道炎症和上皮屏障完整性受损为特征。越来越多的证据表明，肠道微生物来源的色氨酸代谢物可作为芳香烃受体（AhR）的内源性配体，启动恢复黏膜稳态的保护性信号级联反应。本综述综合了关于微生物色氨酸分解代谢物（包括吲哚-3-甲醛（IAld）、吲哚-3-丙酸（IPA）、吲哚-3-乳酸（ILA）和吲哚-3-乙酸（IAA））如何激活AhR以增强上皮屏障功能的现有机制性见解。然而，这种保护能力特异于由生理性低亲和力微生物配体介导的激活，不应一概而论地推广到不考虑配体身份、剂量或暴露时间的AhR信号传导。主要产菌包括乳杆菌属（L. reuteri和L. plantarum）、生孢梭菌（Clostridium sporogenes）和异杆菌属（Allobaculum）物种。这些代谢物激活AhR会触发多个下游通路，包括激活AMP活化蛋白激酶（AMPK），从而促进自噬和线粒体稳态；核因子E2相关因子2（Nrf2）介导的抗氧化反应；抑制核因子-κB（NF-κB），从而减少促炎细胞因子产生；以及诱导白细胞介素-22（IL-22），支持上皮再生。这些信号事件汇聚于上调紧密连接蛋白、保持黏液层完整性，并通过减少肌球蛋白轻链磷酸化来降低肌动蛋白介导的通透性。临床前研究表明，AhR依赖性屏障恢复的保护作用可被AhR拮抗剂消除。尽管有这些临床前发现，其在IBD中的治疗效用仍有待人类干预性研究证实。重要的是，AhR的保护作用具有高度情境依赖性，因为犬尿氨酸通路配体和持续受体激活可能产生免疫抑制或促肿瘤效应，这强调了配体选择性在治疗开发中的重要性。
1 Introduction
炎症性肠病（IBD）包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，是一种影响全球数百万人的复杂慢性胃肠道炎症性疾病。其发病机制涉及遗传易感性、环境因素、免疫失调以及肠道微生物组成和功能改变之间的多因素相互作用。IBD的一个标志性特征是肠上皮屏障完整性的破坏，表现为通透性增加、紧密连接（TJ）结构受损以及黏液层保护作用减弱。这种屏障功能障碍允许管腔抗原和微生物产物易位，从而持续加剧慢性炎症和组织损伤。近年来，微生物组研究揭示了微生物代谢物作为宿主-微生物对话介体的关键作用。其中，色氨酸衍生代谢物已成为与宿主免疫和上皮系统相互连接的重要信号分子。色氨酸是三种主要代谢途径的底物：宿主细胞中的犬尿氨酸途径、肠嗜铬细胞中的血清素途径以及肠道细菌中的吲哚途径。细菌色氨酸代谢产生多种吲哚衍生物，包括吲哚-3-甲醛（IAld）、吲哚-3-丙酸（IPA）、吲哚-3-乳酸（ILA）和吲哚-3-乙酸（IAA），这些物质均作为芳香烃受体（AhR）的内源性配体。AhR最初被描述为外源性物质传感器，现已被公认为肠道稳态、免疫耐受和上皮屏障功能的关键调节因子。微生物色氨酸代谢物激活AhR可启动复杂的信号级联反应，调节上皮细胞功能、免疫细胞反应和屏障完整性。本综述整合了关于微生物来源色氨酸代谢物作为IBD中肠道稳态和上皮屏障功能关键调节因子的现有证据，重点阐述其细菌来源、下游信号通路以及作为后生元干预的治疗潜力，并提出了一个统一框架，即这些代谢物作为AhR活性的情境依赖性调节因子，其效应从屏障保护到潜在促炎结果不等，取决于微环境。
2 Background and Theoretical Foundations
2.1 The Gut–Microbiota-Immune Axis in IBD Pathogenesis
肠道黏膜是宿主与外界环境之间最大的界面，保护着构成肠道微生物群的数万亿共生微生物。在健康个体中，微生物群、肠上皮和黏膜免疫系统之间存在动态平衡，通过上皮单层和表面黏液提供的物理屏障、抗菌肽分泌以及调节性T细胞和耐受性树突状细胞协调的免疫耐受机制维持肠道稳态。IBD发病机制涉及这种稳态平衡的根本性破坏。IBD患者中持续观察到以微生物多样性降低、有益共生菌耗竭和潜在致病菌扩增为特征的菌群失调。这种改变的微生物生态系统产生有益代谢物（包括短链脂肪酸和色氨酸衍生物）的能力下降，同时可能产生促炎介质。此外，影响自噬、模式识别受体和免疫信号通路的遗传易感因素损害了宿主适当响应微生物信号的能力。IBD中观察到的上皮屏障功能障碍既是慢性炎症的后果，也是其驱动因素。紧密连接完整性受损增加旁细胞通透性，允许细菌抗原、脂多糖和其他免疫刺激分子易位进入固有层。这种抗原暴露通过Toll样受体和NOD样受体激活先天免疫反应，触发促炎细胞因子（如TNF-α、IL-1β和IL-6）的产生。这些细胞因子进一步通过影响紧密连接蛋白和肌动球蛋白收缩性损害屏障功能，形成屏障破坏与炎症的自我延续循环。新出现的证据表明，肠道-微生物-免疫轴受到微生物代谢物的关键调节，这些代谢物作为连接微生物和宿主区室的信号分子。其中，色氨酸衍生的吲哚代谢物因其激活AhR的能力而受到特别关注，AhR是一个对上皮和免疫细胞功能具有多效性的转录因子。
2.2 The AhR as a Microbiota–Host Interface
AhR是一种配体激活的转录因子，属于碱性螺旋-环-螺旋转录因子/Per-ARNT-Sim（bHLH/PAS）家族。它最初被确定为二噁英毒性的介导者，现已被公认为肠道稳态的关键调节因子，其生理功能远超外源性物质代谢。在肠上皮中，AhR组成性表达，并作为饮食和微生物来源配体的传感器，整合环境信号以调节上皮分化、屏障功能和免疫反应。在非活性状态下，AhR存在于细胞质中，作为包含热休克蛋白90（HSP90）、AhR相互作用蛋白和p23的多蛋白复合物的一部分。配体结合后，AhR发生构象变化，导致核转位，在核内与AhR核转位蛋白（ARNT）形成异二聚体。AhR-ARNT复合物与靶基因启动子区域的外源性物质响应元件（XREs）或二噁英响应元件（DREs）结合，启动参与外源性物质代谢（细胞色素P450酶）、免疫调节和上皮稳态的基因转录。在肠道稳态背景下，AhR激活已被证明可促进上皮屏障完整性、增强抗菌肽产生、调节肠道干细胞（ISC）功能以及调节免疫细胞分化和细胞因子产生。然而，这些有益结果并非无条件，同一受体可以驱动免疫抑制、屏障损害或促肿瘤程序，具体取决于配体结构、激活持续时间和细胞环境。肠上皮细胞中的AhR信号通路上调紧密连接蛋白并维持顶端连接复合物的结构完整性。在免疫细胞中，尤其是3型先天淋巴样细胞（ILC3）和T辅助17（Th17）细胞中，AhR激活促进IL-22的产生，IL-22是上皮再生和抗菌防御的关键细胞因子。此外，AhR信号已被证明可诱导肠上皮中的IL-10受体表达，增强对该关键抗炎细胞因子的反应性。基因研究强调了AhR在肠道健康中的重要性。AhR缺陷小鼠对实验性结肠炎的易感性增加，上皮屏障功能受损，免疫反应改变。相反，给予AhR配体或增强内源性配体产生的干预措施在多种实验模型中可抵抗结肠炎。这些观察结果将AhR确立为IBD的潜在治疗靶点；然而，其效用关键取决于配体身份和激活背景，持续或高亲和力的AhR结合（如宿主来源的犬尿氨酸代谢物）可能产生免疫抑制或促肿瘤而非屏障保护的结果。
3 Microbial Tryptophan Catabolism and Metabolite Profiles
3.1 Bacterial Tryptophan Metabolism Pathways
色氨酸是一种通过饮食摄入的必需氨基酸，是宿主和微生物代谢途径的关键底物。宿主细胞主要通过犬尿氨酸途径（产生犬尿氨酸、犬尿喹啉酸和喹啉酸）和血清素途径（产生血清素和褪黑素）代谢色氨酸，而肠道细菌则利用独特的酶促机制将色氨酸转化为多种吲哚衍生物。这些细菌代谢途径代表了肠道中色氨酸分解代谢的主要途径，微生物代谢占肠腔和体循环中色氨酸衍生代谢物的相当大比例。细菌色氨酸分解代谢主要由色氨酸酶（TnaA）介导，该酶将色氨酸转化为吲哚、丙酮酸和氨。吲哚作为中心中间体，通过氧化、还原和脱氨反应进一步转化为多种生物活性衍生物。革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌，包括大肠杆菌、梭菌属和乳杆菌属等物种，均参与这一代谢网络。这些转化产生关键代谢物，包括IAld、IAA、ILA和IPA，其不同的受体亲和力、微生物来源和生物学功能共同构成了其对肠道稳态的情境依赖效应。
3.2 Key Metabolites and Their Microbial Sources
微生物来源的色氨酸代谢物包括多种结构相关的吲哚化合物，每种具有不同的理化性质、受体结合亲和力和生物活性。其中，几种代谢物已在其对实验性结肠炎模型的AhR激动活性和保护作用方面得到广泛表征。IAld是最有效且研究最充分的微生物AhR配体之一，由厌氧肠道细菌通过色氨酸的氧化代谢产生。罗伊氏乳杆菌（L. reuteri）已被确定为IAld的关键生产者，该代谢物介导了L. reuteri在实验性结肠炎模型中的许多保护作用。IAld对AhR表现出高亲和力结合，并能有效激活AhR依赖性转录程序。然而，不同研究报告了IAld保护作用对AhR依赖程度的不同：一项研究报告其抗DSS诱导结肠炎的保护作用仅部分依赖AhR，而另一项研究发现其通过更严格的AhR/AMPK依赖性机制发挥作用，AhR抑制后功效几乎完全丧失。这种差异可能反映了所测试的特定吲哚衍生物、给药方案或所用细胞模型响应性的差异，并强调“AhR依赖性”即使对于结构相关的配体也并非总是全有或全无的特性。此外，结构相关的细菌色氨酸代谢物，如吲哚-3-乙醇和吲哚-3-丙酮酸，也已被确定为AhR激动剂。这些化合物通过AhR依赖性机制保持顶端连接复合物及相关肌动蛋白调节蛋白的完整性，从而在实验性结肠炎中防止肠道通透性增加。IPA是另一种重要的微生物色氨酸代谢物，具有免疫调节和屏障保护特性。生孢梭菌（C. sporogenes）被确定为IPA的高效生产者。IPA作为AhR激动剂，已被证明可恢复溃疡性结肠炎模型中的紧密连接蛋白并诱导IL-22产生。除AhR激活外，IPA还调节孕烷X受体（PXR），表明其生物学效应涉及多受体机制。代谢组学研究显示IBD患者中IPA水平降低，且与疾病严重程度相关，提示IPA缺乏可能参与IBD发病。ILA由植物乳杆菌（L. plantarum）菌株通过色氨酸还原代谢产生。植物乳杆菌DPUL-S164被表征为ILA的生产者，该代谢物被确定为该益生菌屏障保护作用的关键介体。ILA激活AhR并诱导核因子E2相关因子2（Nrf2）介导的抗氧化反应，同时抑制核因子-κB（NF-κB）信号，从而发挥屏障保护和抗炎双重作用。通过AhR/Nrf2/NF-κB轴，给予L. plantarum DPUL-S164或纯化ILA可改善抗生素处理和DSS攻击小鼠的肠道屏障损伤。IAA是由多种细菌分类群（包括乳杆菌属物种）产生的色氨酸衍生代谢物。IAA作为AhR配体，已被证明可通过AhR信号通路促进IL-22产生并上调紧密连接
